一种微透镜-针孔阵列合成器件的制作方法

　　1　引　　言

　　自从1968年M.Petran等人提出利用Nipkow盘实现全场共焦测量,以及1988年G.Q.Xiao等人对其改进后,共焦测量系统在三维轮廓测量中得到越来越多地重视,一些新的方法不断出现[1～4]。近几年来,微透镜阵列与针孔阵列的组合光学器件应用于共焦测量系统中实现全场三维轮廓测量,扩大了测量视场,加快了测量速度,改进了Nipkow盘的不足[5,6]。

　　图1为采用共焦测量系统及其采用的微光学器件。平行光束经过微光学阵列产生一个均匀的点光源阵列,该点光源阵列通过物镜投射到被测物体上。以其中一束点光源P为例说明共焦系统的测量原理,P经物镜投射到物面P′点上,由物面上P′点反射回来的光线经同一物镜、分光镜聚焦到探测面上,由CCD靶面上的P″点接收。P点与P″点以分光镜呈轴对称分布,当探测物P′点刚好处于P的共焦面时,在CCD靶面上的P″点接收到的光强最大;若P′点处于轴向离焦的位置时,P′处弥散成一个较大的光斑,该光斑再经过物镜投射到CCD面阵时,光也会在P″弥散开来,因此P″点接收到的光强相对降低。根据该点的最大光强值就可确定其相对高度。对全场采样并对每一点都进行上述分析,便可求出全场的高度。

　　为了提高光能利用率,要求光源经过每一微透镜汇聚的光点刚好通过与其相应的针孔。为达到上述要求,除了器件制作中控制针孔阵列和微透镜阵列分布精度,微透镜阵列的焦距外,还要在装配中控制针孔阵列和微透镜阵列严格对齐。前两者通过半导体光刻技术很容易实现,而后者由于没有现成工艺完成,也就成了器件制作中的关键。

　　2　微光学阵列合成器件的对准

　　试验中的微透镜阵列为512×512,采用了运动掩模版的技术加工而成[7,8],其曲面具有二次抛物面的形状,结构如图2所示,微透镜的排列间距为50μm,从图中可以看出,该种结构的微透镜没有死区,光能利用率高。在微透镜阵列表面取9个区域测量其焦距,测量数据如表1所示。由表1可知微透镜阵列的焦距为291.3±6.2μm。

　针孔阵列采用半导体光刻技术制作,结构如图3所示,针孔整齐排列(相对交错排列而言),孔间距为50μm,孔直径为10μm。

　　根据微透镜的焦距分布,在装配中微透镜表面到针孔表面的距离应为291μm,装配误差应在6μm之内,两者之间的平行度应满足一定的要求,除此之外,针孔与微透镜的对齐也很重要。因此在装配中,除了夹具要有足够高的精度,还应有尽可能的多个自由度可调,最好是6自由度。在此,选用了0.1μm光纤微调架,该结构有5个自由度可调,即x向移动,y向移动,z向移动,x轴转动,y轴转动。x向移动和y向移动具有粗调和微调旋钮,粗调可达到5μm的精度,微调可达到0.1μm的精度,z向移动只有粗调旋钮,精度为5μm,x轴转动和y轴转动可达到0.6秒的精度。在装配中,观察也是很重要的一个环节,为此,对显微镜进行了改装,去掉一个目镜,并在该位置处加上CCD摄像机,采集图像输入到计算机进行实时观察及处理。微调架通过两个支撑固定在显微镜上,微透镜阵列板通过双面胶固定在微调架的调节端面,通过微调架的调节可实现5个自由度的运动,针孔阵列板固定在显微镜的载物盘上,由于载物盘可沿其中心转动,因此弥补了微透镜阵列不能进行z轴转动的不足。微调架的z向移动旋钮中心为一直径等于6mm的通孔,光源可通过该孔照射到微透镜并通过显微镜观察。